Ứng xử cơ học của bê tông cốt liệu tái chế sử dụng xi măng và chất kết dính kiềm (P1)

Kết quả thử nghiệm cho thấy BTCLTC sử dụng chất kết dính xỉ kiềm có tính chất cơ học và mô men kháng nứt tốt hơn so với BTCLTC sử dụng xi măng, nhưng số lượng vết nứt và sự phát triển bề rộng vết nứt của dầm giảm không đáng kể.

1. Giới thiệu

Việc tái chế phế thải bê tông trong xây dựng giúp bảo vệ môi trường, đồng thời sẽ giảm sử dụng nguyên vật liệu thiên nhiên. Để tận dụng hiệu quả phế thải bê tông, có thể sử dụng các loại phế thải bê tông làm cốt liệu (CLBTTC) trong sản xuất bê tông. Nhiều tác giả đã tập trung nghiên cứu từ quá trình tái chế phế thải bê tông đến việc thiết kế thành phần bê tông và nghiên cứu các tính chất cơ lý, độ bền lâu của bê tông cốt liệu tái chế (BTCLTC) [1-4]. Có thể thấy rằng, BTCLTC thường có các tính chất cơ học thấp hơn so với bê tông cốt liệu tự nhiên (BTCLTN) [1-3], khả năng chịu lực của kết cấu BTCLTC cũng thấp hơn so với kết cấu BTCLTN [4-8]. Điều này là do hạt cốt liệu tái chế thường có cấu tạo rỗng xốp do có phần vữa cũ bám dính, có nhiều vết nứt do quá trình gia công cốt liệu. Nhưng loại bê tông này vẫn có thể đảm bảo yêu cầu của một số dạng kết cấu nhất định, kể cả trong kết cấu chịu lực khi sử dụng các biện pháp nâng cao chất lượng [8, 9].

Trong những năm gần đây, một số nghiên cứu khảo sát quan hệ ứng suất – biến dạng và ứng xử cơ học của các kết cấu dầm bê tông sử dụng CLBTTC đã được đề cập [5-7,10,11]. Ajdukiewicz và Kliszczewicz [11] đã sử dụng cốt liệu bê tông tái chế để thay thế một phần hoặc toàn bộ cốt liệu tự nhiên (CLTN) trong nghiên cứu ứng xử uốn của dầm bê tông 200×300×2600mm có hàm lượng cốt thép 0,90% và 1,60%. Kết quả thử nghiệm cho thấy các dầm BTCLTC có mô men kháng uốn thấp hơn khoảng 3,5% và độ võng lớn hơn so với các dầm BTCLTN. Kang và cộng sự [6] cũng nghiên cứu dầm bê tông có hàm lượng cốt thép 0,5% và 1,8% sử dụng CLBTTC có nguồn gốc từ bê tông thường và bê tông cường độ cao để thay thế CLTN đến 50%. Kết quả nghiên cứu cho thấy các dầm BTCLTC có số vết nứt nhiều hơn và mô men kháng nứt thấp hơn so với dầm BTCLTN, nhưng các dầm BTCLTC sử dụng 30% CLBTTC lại có khả năng chịu uốn tương đương. Knaack và Kurama [7] cũng nghiên cứu ứng xử uốn của dầm bê tông có kích thước 150×230×2000mm, sử dụng 50% CLBTTC. Các tác giả cho rằng độ võng của dầm BTCLTC cao hơn độ võng của dầm đối chứng, nhưng mô hình tính toán kết cấu của dầm BTCLTN cũng phù hợp cho dầm BTCLTC.

Gần đây, nhiều nghiên cứu có xu hướng sử dụng chất kết dính không xi măng trong chế tạo bê tông do loại chất kết dính này có cường độ và độ bền cao, đồng thời giảm thiểu các tác động môi trường do quá trình sản xuất xi măng poóc lăng [12-15]. Loại chất kết dính này là hỗn hợp của các phế thải công nghiệp (tro bay nhiệt điện, xỉ lò cao hạt hóa) hoặc vật liệu puzơlan (đất puzơlan, mê ta cao lanh) được hoạt hóa bằng các chất kiềm [13,14,16]. Collins [12] cho rằng cường độ chịu nén và cường độ kéo của BTCLTC sử dụng chất kết dính xỉ kiềm hoạt hóa có thể bằng hoặc cao hơn so với BTCLTC sử dụng xi măng. Điều này có thể do bản thân trong hạt CLBTTC đã có sẵn chất kiềm Ca(OH)2 là sản phẩm thủy hóa của xi măng, cho nên hiệu ứng hoạt hóa và hiệu ứng puzơlanic của Xỉ lò cao nghiền mịn (XLCNM) có thể sẽ tăng mạnh. Hơn nữa, hạt CLBTTC cũng còn một phần clanhke xi măng chưa thủy hóa sẽ tiếp tục thủy hóa trong hỗn hợp BTCLTC và sẽ góp phần làm tăng cường độ và độ bền lâu của bê tông. Tuy nhiên, các nghiên cứu này mới chủ yếu được phân tích trên các mẫu thí nghiệm nhỏ, chưa có nhiều nghiên cứu trên các kết cấu chịu lực. Để mở rộng khả năng sử dụng cốt liệu tái chế trong chế tạo các kết cấu bê tông cốt thép chịu lực, bài viết này trình bày các kết quả nghiên cứu so sánh ảnh hưởng của việc sử dụng chất kết dính xỉ kiềm hoạt hóa thay thế chất kết dính xi măng đến các đặc trưng cơ học của mẫu bê tông, cũng như ứng xử uốn của kết cấu dầm BTCLTC cốt thép.

2. Vật liệu và phương pháp nghiên cứu

2.1 Vật liệu sử dụng

Xi măng PC40 Bút Sơn được sử dụng trong nghiên cứu này, các tính chất cơ bản của xi măng thỏa mãn TCVN 2682:2009. Xỉ lò cao hạt hóa nghiền mịn (XLCNM) được nghiền từ xỉ hạt lò cao của nhà máy gang thép Hòa Phát, theo TCVN 4315:2007 thì loại xỉ hạt lò cao đạt yêu cầu để sản xuất xi măng.

CLTN sử dụng gồm đá dăm Dmax=20mm và cát vàng Sông Lô được sử dụng chế tạo các mẫu bê tông đối chứng. CLBTTC được gia công từ phế thải bê tông xi măng. Các tính chất của cốt liệu thỏa mãn yêu cầu kỹ thuật của tiêu chuẩn Việt Nam TCVN 7570:2006.

Nước sinh hoạt được sử dụng để trộn bê tông và thỏa mãn yêu cầu kỹ thuật của nước trộn trong bê tông theo TCVN 4506:2012.

Dung dịch kiềm là hỗn hợp của dung dịch thủy tinh lỏng (Na-Si) có Na2O = 11,8%; SiO2 = 28,0%; H2O = 58,2% và dung dịch NaOH 32% (chứa 32% NaOH rắn). Dung dịch này được sử dụng làm chất hoạt hóa trong chế tạo chất kết dính xỉ kiềm để thay thế chất kết dính xi măng.

2.2 Thành phần cấp phối bê tông

Có hai cấp phối bê tông đối chứng sử dụng CLTN có độ sụt 10 ± 2cm là: ĐCI có cường độ chịu nén tiêu chuẩn quy đổi đạt mác M300 (cấp độ bền B22,5) và ĐCII đạt mác M250 (cấp độ bền B20). ĐCII có mác tương đương với mác của bê tông sử dụng 100% CLBTTC thay thế CLTN (BTCLTC). Theo các nghiên cứu trước đây [17,18] hỗn hợp bê tông sử dụng chất kết dính xỉ kiềm (CKDXK) với hàm lượng kiềm sử dụng là 7% và mô đun kiềm là 1,0% thay thế hoàn toàn xi măng (BTCLTC-XK 7%) có thể tăng cường chất lượng của BTCLTC. Trên cơ sở phương pháp thiết kế thành phần cấp phối theo nguyên tắc thể tích tuyệt đối, lượng dùng vật liệu của các hỗn hợp bê tông nghiên cứu được nêu ở Bảng 1.

2.3 Phương pháp nghiên cứu

Hỗn hợp bê tông được trộn theo quy trình trộn hai giai đoạn [19]. Giai đoạn 1 làm ẩm cốt liệu trong khoảng 5 phút, sau đó giai đoạn 2 là cho chất kết dính vào trộn để tăng khả năng hấp thụ và bám dính bề mặt hạt cốt liệu. Các mẫu được chế tạo và bảo dưỡng tại phòng thí nghiệm theo TCVN 3105:1993 đến tuổi 28 ngày.

Để đánh giá hiệu quả cải thiện chất lượng kết cấu BTCLTC, ứng xử cơ học của các dầm BTCLTC và BTCLTC-XK7% được so sánh với cả hai dầm bê tông đối chứng (ĐCI, ĐCII). Các đặc trưng cơ học được đánh giá thông qua cường độ chịu nén theo TCVN 3118:1993, cường độ chịu uốn và mô đun đàn hồi theo TCVN 3119:1993 và tiêu chuẩn ASTM C469:2002. Ứng xử uốn của bê tông được khảo sát trên dầm bê tông cốt thép chịu uốn thuần túy với sơ đồ chịu tải như Hình 1. Cả chuyển vị và biến dạng xuất hiện trong quá trình chịu tải trọng uốn được ghi tự động bằng bộ thu TDS-530 thông qua 3 đầu đo chuyển vị (LVDT) I1, I2, I3 và 2 cảm biến điện trở đo biến dạng T1, T2. Bề rộng vết nứt được xác định bằng thiết bị quang học DJCK-2, có độ chính xác đến 0,01mm.

Tài liệu tham khảo:

1. ACI 555 (2001), Removal and Reuse of Hardened Concrete, ACI_555R-01, American Concrete Institute, Farmington Hills.

2. Hansen T.C. (1992), “Demolition and Reuse of Concrete and Masonry: recycling of demolished concrete, recycling of masonry rubble, and localised cutting by blasting of concrete”, RILEM report 6, E & EN Spon, London.

3. Kien T.T, Thanh T.L, Lu V. P. (2013), “Recycling construction demolition waste in the world and in Vietnam”, Ed. Soutsos Marios et al., The international Conference on Sustainable Built Environment for Now and the Future, 26-27 March 2013, Construction publishing house, Hanoi, Vietnam, 247-256.

4. Jianzhuang X. et. al. (2012), “An overview of study on recycled aggregate concrete in China (1996-2011)”, Construction and Building Materials, 31:364-383.

5. Yagishita F., Sano M., Yamada M. (1994), “Behavior of reinforced concrete beams containing recycled coarse aggregate”, Demolition and reuse of concrete & masonry RILEM proceeding, Ed. Erik K.Lauritzen, E&FN Spon, Frederiksberg, Denmark, 331-342.

6. Kang TH-K et. al. (2014), “Flexural testing of reinforced concrete beams with recycled concrete aggregates”, ACI Structure Journal, 111(3):607-616.

7. Knaack A.M., Kurama Y.C. (2014), “Behavior of reinforced concrete beams with recycled concrete coarse aggregates”, Journal Structures Engineering 2014 © ASCE 2014.

8. Kou S. C. (2006), Reusing recycled aggregates in structural concrete, PhD thesis, The Hong Kong polytechnic university.

9. Kou S.C., Poon C.S, Agrela F. (2011), “Comparisons of natural and recycled aggregate concretes prepared with the addition of different mineral admixtures”, Cement & Concrete Composites, 33 (8):788-795.

10. Mahdi A. et. al. (2015), “An experimental study on flexural strength of reinforced concrete beams with 100% recycled concrete aggregate”, Engineering Structures, 88:154-162.

11. Ajdukiewicz B. A., Kliszczewicz T. A. (2007), “Comparative tests of beams and columns made of recycled aggregate concrete and natural aggregate concrete”, Journal Advanced Concrete Technology, 5(2):259-273.

12. Collins F., Sanjayan J. (1999), “Strength and shrinkage properties of alkaliactivated slag concrete placed into a large column”, Cement Concrete Research, 29:659-666.

13. Garcia J. I. E. et. al. (2009), “Coarse blast furnace slag as a cementitious material, comparative study as a partial replacement of Portland cement and as an alkali activated cement “, Construction and Building Materials, 23:2511-2517.

14. Jiménez A. F., Palomo A. (2003), “Characterisation of fly ashes. Potential reactivity as alkaline cements”, Fuel, 82:2259-2265.

15. Juenger M.C.G. et. al. (2011), “Advances in alternative cementitious binders”, Cement and Concrete Research, 41:1232-1243.

16. Tống Tôn Kiên, Phạm Thị Vinh Lanh và Lê Trung Thành (2014), “Bê tông Geopolymer- Những thành tựu, tính chất và khả năng ứng dụng ở Việt Nam”, Tạp chí Vật liệu xây dựng. (3):62-66.

17. Tống Tôn Kiên (2015), Nghiên cứu nâng cao chất lượng bê tông sử dụng cốt liệu tái chế bê tông từ phế thải bê tông xi măng, Báo cáo tổng kết đề tài KHCN cấp trường, Mã số 60-2015/KHXD, Trường Đại học Xây dựng.

18. Tống Tôn Kiên, cs. (2014), “Nghiên cứu chế tạo vữa xỉ kiềm sử dụng cốt liệu tái chế từ phế thải xây dựng”, Tạp chí Xây dựng, Bộ Xây dựng, (6):69-72.

19. Vivian W.Y. Tam, X.F. Gao, C.M. Tam (2005), “Microstructural analysis of recycled aggregate concrete produced from two-stage mixing approach”, Cement and Concrete Research. 35:1195-1203.

20. Kou S.C., Poon C.S. (2012), “Enhancing the durability properties of concrete prepared with coarse recycled aggregate”, Construction and Building Materials. 35:69-76.

21. Jorge D. B, Nabajyoti S. (2012), “Recycled Aggregate in Concrete: Use of Industrial, Construction and Demolition Waste”, Green Energy and Technology, Springer London Heidelberg New York Dordrecht.

22. Choi C. W., Yun H. D. (2013), “Long-term deflection and flexural behaviour of reinforced concrete beams with recycled aggregate”, Materials and Design, 51:742-750.

Theo Tạp chí KHCNXD